Ang katangian ng estado ng mga electron sa isang atom ay batay sa posisyon ng quantum mechanics tungkol sa dalawahang katangian ng isang electron, na sabay na may mga katangian ng isang particle at isang alon.

Sa unang pagkakataon, itinatag ang dual corpuscular-wave na kalikasan para sa liwanag. Ang mga pag-aaral ng isang bilang ng mga phenomena (radiation mula sa mainit na katawan, ang photoelectric effect, atomic spectra) ay humantong sa konklusyon na ang enerhiya ay ibinubuga at hinihigop hindi tuloy-tuloy, ngunit discretely, sa magkahiwalay na mga bahagi (quanta). Ang pagpapalagay ng quantization ng enerhiya ay unang ginawa ni Max Planck (1900) at pinatunayan ni Albert Einstein (1905): ang quantum energy (∆E) ay nakasalalay sa dalas ng radiation (ν):

∆Е = hν, kung saan ang h = 6.63 10 -34 J s ay ang pare-pareho ng Planck.

Itinutumbas ang enerhiya ng isang photon hν sa kabuuang reserba ng enerhiya nito mс 2 at, isinasaalang-alang na ν=с/λ, nakakakuha tayo ng kaugnayan na nagpapahayag ng ugnayan sa pagitan ng wave at corpuscular na katangian ng isang photon:

Noong 1924 Louis de Broglie Iminungkahi na ang dual corpuscular-wave na kalikasan ay likas hindi lamang sa radiation, kundi pati na rin sa anumang materyal na particle: ang bawat particle na may mass (m) at gumagalaw sa bilis (υ) ay tumutugma sa isang proseso ng alon na may wavelength λ:

λ = h / mυ(55)

Mas maliit ang particle mass, mas mahaba ang wavelength. Samakatuwid, mahirap tuklasin ang mga katangian ng alon ng macroparticle.

Noong 1927, ang mga Amerikanong siyentipiko na sina Davisson at Germer, ang Englishman na si Thomson at ang Sobyet na siyentipiko na si Tartakovskii ay nakapag-iisa na natuklasan ang electron diffraction, na isang eksperimentong kumpirmasyon ng mga katangian ng alon ng mga electron. Nang maglaon, natuklasan ang diffraction (interference) ng α-particles, neutrons, protons, atoms at maging molecules. Sa kasalukuyan, ang electron diffraction ay ginagamit upang pag-aralan ang istraktura ng bagay.

Ang mga katangian ng alon ng elementarya na mga particle ay naglalaman ng isa sa mga prinsipyo ng wave mechanics: prinsipyo ng kawalan ng katiyakan (W. Heisenberg 1925): para sa maliliit na katawan sa isang atomic scale, imposibleng sabay-sabay na matukoy ang posisyon ng isang particle sa kalawakan at ang bilis nito (momentum). Ang mas tiyak na mga coordinate ng isang particle ay tinutukoy, ang mas kaunting tiyak na bilis nito ay nagiging, at vice versa. Ang kaugnayan ng kawalan ng katiyakan ay may anyo:

kung saan ang ∆x ay ang kawalan ng katiyakan ng posisyon ng particle, ang ∆Р x ay ang kawalan ng katiyakan ng magnitude ng momentum o bilis sa direksyon ng x. Ang mga katulad na relasyon ay isinulat din para sa y at z coordinate. Ang halaga ℏ kasama sa kaugnayan ng kawalan ng katiyakan ay napakaliit, samakatuwid, para sa mga macroparticle, ang mga kawalan ng katiyakan sa mga halaga ng mga coordinate at momenta ay bale-wala.

Samakatuwid, imposibleng kalkulahin ang tilapon ng elektron sa larangan ng nucleus; maaari lamang tantiyahin ng isa ang posibilidad ng pagkakaroon nito sa atom gamit ang function ng alon ψ, na pumapalit sa klasikal na paniwala ng isang tilapon. Ang wave function na ψ ay nagpapakilala sa wave amplitude depende sa mga coordinate ng electron, at ang parisukat nito na ψ 2 ay tumutukoy sa spatial distribution ng electron sa atom. Sa pinakasimpleng bersyon, ang wave function ay nakasalalay sa tatlong spatial coordinate at ginagawang posible upang matukoy ang posibilidad ng paghahanap ng isang electron sa atomic space o nito. orbital . Sa ganitong paraan, atomic orbital (AO) ay isang rehiyon ng atomic space kung saan ang posibilidad na makahanap ng isang electron ay pinakamalaki.

Nakukuha ang mga function ng wave sa pamamagitan ng paglutas ng pangunahing kaugnayan ng wave mechanics - mga equationSchrödinger (1926) :

(57)

kung saan ang h ay ang pare-pareho ng Planck, ay isang variable, ang U ay ang potensyal na enerhiya ng particle, E ay ang kabuuang enerhiya ng particle, x, y, z, ay ang mga coordinate.

Kaya, ang quantization ng enerhiya ng isang microsystem ay sumusunod nang direkta mula sa solusyon ng wave equation. Ang function ng wave ay ganap na nagpapakilala sa estado ng elektron.

Ang wave function ng isang system ay isang function ng estado ng system, ang parisukat nito ay katumbas ng probability density ng paghahanap ng mga electron sa bawat punto sa espasyo. Dapat itong matugunan ang mga karaniwang kundisyon: maging tuluy-tuloy, may hangganan, iisa ang halaga, maglaho kung saan walang elektron.

Ang isang eksaktong solusyon ay nakuha para sa isang hydrogen atom o hydrogen-like ions; para sa maraming-electron system, iba't ibang approximation ang ginagamit. Ang ibabaw na naglilimita sa 90-95% ng posibilidad na makahanap ng electron o electron density ay tinatawag na hangganan. Ang atomic orbital at ang electron cloud density ay may parehong boundary surface (hugis) at parehong spatial orientation. Ang atomic orbitals ng isang electron, ang kanilang enerhiya at direksyon sa espasyo ay nakasalalay sa apat na mga parameter - mga numerong quantum : pangunahing, orbital, magnetic at spin. Ang unang tatlong ay nagpapakilala sa paggalaw ng isang elektron sa espasyo, at ang ikaapat - sa paligid ng sarili nitong axis.

Quantum numbern – pangunahing . Tinutukoy nito ang antas ng enerhiya ng isang electron sa isang atom, ang distansya ng antas mula sa nucleus, at ang laki ng electron cloud. Ito ay tumatagal ng mga halaga ng integer mula 1 hanggang ∞ at tumutugma sa numero ng panahon. Mula sa periodic system para sa anumang elemento, sa bilang ng panahon, matutukoy mo ang bilang ng mga antas ng enerhiya ng atom, at kung aling antas ng enerhiya ang panlabas. Ang higit pa n, mas malaki ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng electron sa nucleus. Sa n= 1 hydrogen atom ay nasa ground state, sa n> 1 - sa nasasabik. Kung ang n∞, pagkatapos ay umalis ang electron sa atomic volume. Ang atom ay ionized.

Halimbawa, ang elementong cadmium Cd ay matatagpuan sa ikalimang yugto, kaya n=5. Sa atom nito, ang mga electron ay ipinamamahagi sa limang antas ng enerhiya (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); ang ikalimang antas ay magiging panlabas (n = 5).

Dahil ang elektron, kasama ang mga katangian ng isang alon, ay may mga katangian ng isang materyal na particle, ito, na may mass m, isang bilis ng paggalaw V, at nasa layo mula sa nucleus r, ay may isang sandali ng momentum: μ =mVr.

Ang angular momentum ay ang pangalawa (pagkatapos ng enerhiya) na katangian ng isang electron at ipinahayag sa mga tuntunin ng isang side (azimuthal, orbital) quantum number.

Orbital quantum numberl- tinutukoy ang hugis ng electron cloud (Fig. 7), ang enerhiya ng electron sa sublevel, ang bilang ng mga sublevel ng enerhiya. Kinukuha ang mga halaga mula 0 hanggang n– 1. Maliban sa mga numerong halaga l may mga titik. Mga electron na may parehong halaga l bumuo ng isang sublevel.

Sa bawat antas ng quantum, ang bilang ng mga sublevel ay mahigpit na limitado at katumbas ng bilang ng layer. Ang mga sublevel, tulad ng mga antas ng enerhiya, ay binibilang sa pagkakasunud-sunod ng kanilang distansya mula sa nucleus (Talahanayan 26).

30.12.2015. 14:00

Marami sa mga nagsisimulang mag-aral ng pisika, kapwa sa kanilang mga taon ng pag-aaral at sa mas mataas na mga institusyong pang-edukasyon, maaga o huli ay nahaharap sa mga tanong tungkol sa liwanag. Una, ang pinaka-ayaw ko sa physics na alam natin ngayon. Kaya ito ang interpretasyon ng ilang mga konsepto, na may ganap na kalmado na ekspresyon ng mukha at hindi binibigyang pansin ang iba pang mga phenomena at epekto. Iyon ay, sa tulong ng ilang mga batas o mga patakaran, sinusubukan nilang ipaliwanag ang ilang mga phenomena, ngunit sa parehong oras sinusubukan nilang hindi mapansin ang mga epekto na sumasalungat sa paliwanag na ito. Isa na itong uri ng alituntunin ng interpretasyon - Well, paano naman ito at iyon? Mahal, makinig ka, iba ang pinag-uusapan natin ngayon, huwag mo na lang pansinin. Pagkatapos ng lahat, sa loob ng balangkas ng tanong na ito, lahat ay matalo? Well, maganda.

Ang susunod na "Schrödinger's Cat" para sa anumang kaalaman ay CWD (corpuscular wave dualism). Kapag ang estado ng isang photon (isang particle ng liwanag) o isang electron ay maaaring ilarawan ng parehong wave effect at corpuscular (particle). Tulad ng para sa mga phenomena na nagpapahiwatig ng mga katangian ng alon ng bagay, ang lahat ay higit pa o hindi gaanong malinaw, maliban sa isang bagay - ang daluyan kung saan ang mismong alon na ito ay ipinadala. Ngunit tungkol sa mga katangian ng corpuscular at lalo na ang pagkakaroon ng mga "particle" ng liwanag bilang mga photon, marami akong pagdududa.

Paano nalaman ng mga tao na ang liwanag ay may likas na alon? Well, ito ay pinadali ng mga bukas na epekto at mga eksperimento sa liwanag ng araw. Halimbawa, tulad ng isang konsepto tulad ng spectrum ng liwanag, (ang nakikitang spectrum ng liwanag) kung saan, depende sa haba ng daluyong at, nang naaayon, ang dalas, ang kulay ng spectrum ay nagbabago mula pula hanggang lila, at pagkatapos ay makikita natin ito sa ating hindi perpektong mata. Ang lahat sa likod nito at sa harap nito ay tumutukoy sa infrared, radio radiation, ultraviolet, gamma radiation, at iba pa.

Bigyang-pansin ang larawan sa itaas, na nagpapakita ng spectrum ng electromagnetic radiation. Depende sa dalas ng wave ng electromagnetic manifestation, maaari itong parehong gamma radiation at nakikitang liwanag at hindi lamang, halimbawa, maaari itong maging isang radio wave. Ngunit kung ano ang pinaka-nakakagulat sa lahat ng ito, tanging ang nakikitang spectrum ng liwanag, kaya hindi gaanong mahalaga sa buong saklaw ng dalas, para sa ilang kadahilanan, BIGLANG at eksklusibo lamang dito, ay maiugnay ang mga katangian ng mga particle - mga photon. Para sa ilang kadahilanan, ang nakikitang spectrum lamang ang nagpapakita ng mga katangian ng corpuscular. Hindi mo na maririnig ang tungkol sa corpuscular properties ng radio waves o sabihing gamma radiation, ang mga pagbabagong ito ay hindi nagpapakita ng corpuscular properties. Bahagyang lamang, ang konsepto ng "gamma quantum" ay inilapat sa gamma radiation, ngunit higit pa doon sa ibang pagkakataon.

At anong mga aktwal na phenomena o epekto ang nagpapatunay sa pagkakaroon ng mga katangian ng corpuscular, kahit na sa nakikitang spectrum lamang ng liwanag? At dito magsisimula ang pinaka nakakagulat.

Ayon sa opisyal na agham, ang mga katangian ng corpuscular ng liwanag ay nakumpirma ng dalawang kilalang epekto. Para sa pagtuklas at pagpapaliwanag ng mga epektong ito, ang mga Nobel Prize sa physics ay iginawad kay Albert Einstein (photo-effect), Arthur Compton (Compotne effect). Dapat itong pansinin sa tanong - bakit ang epekto ng larawan ay hindi nagdadala ng pangalan ni Albert Einstein, dahil para sa kanya na natanggap niya ang Nobel Prize? At ang lahat ay napaka-simple, ang epekto na ito ay natuklasan hindi sa kanya, ngunit sa pamamagitan ng isa pang mahuhusay na siyentipiko (Alexander Becquerel 1839), ipinaliwanag lamang ni Einstein ang epekto.

Magsimula tayo sa epekto ng larawan. Saan, ayon sa mga pisiko, may katibayan na ang liwanag ay may mga katangian ng corpuscular?

Ang photoelectric effect ay isang phenomenon dahil sa kung saan ang mga electron ay ibinubuga ng isang substance kapag ito ay nalantad sa liwanag o anumang iba pang electromagnetic radiation. Sa madaling salita, ang liwanag ay hinihigop ng materya at ang enerhiya nito ay inililipat sa mga electron, na nagiging sanhi ng mga ito upang lumipat sa isang maayos na paraan, kaya nagiging elektrikal na enerhiya.

Sa katunayan, hindi malinaw kung paano nakuha ng mga physicist ang konklusyon na ang tinatawag na photon ay isang particle, dahil sa phenomenon ng photoelectric effect ay itinatag na ang mga electron ay lumilipad upang matugunan ang mga photon. Ang katotohanang ito ay nagbibigay ng isang ideya ng hindi tamang interpretasyon ng hindi pangkaraniwang bagay ng photo-effect, dahil ito ay isa sa mga kondisyon para sa paglitaw ng epekto na ito. Ngunit ayon sa mga physicist, ang epektong ito ay nagpapakita na ang photon ay isang particle lamang dahil sa ang katunayan na ito ay ganap na hinihigop, at dahil din sa katotohanan na ang paglabas ng mga electron ay hindi nakasalalay sa intensity ng pag-iilaw, ngunit lamang sa dalas ng tinatawag na photon. Kaya naman ipinanganak ang konsepto ng quantum of light o corpuscle. Ngunit dito dapat tayong tumuon sa kung ano ang "intensity" sa partikular na kaso na ito. Pagkatapos ng lahat, ang mga solar panel ay gumagawa pa rin ng mas maraming kuryente na may pagtaas sa dami ng liwanag na bumabagsak sa ibabaw ng photocell. Halimbawa, kapag pinag-uusapan natin ang intensity ng tunog, ibig sabihin ang amplitude ng vibrations nito. Kung mas malaki ang amplitude, mas maraming enerhiya ang dinadala ng acoustic wave at mas maraming kapangyarihan ang kinakailangan upang lumikha ng naturang alon. Sa kaso ng liwanag, ang gayong konsepto ay ganap na wala. Ayon sa mga ideya ngayon sa pisika, ang liwanag ay may dalas, ngunit walang amplitude. Na muling nagdudulot ng maraming katanungan. Halimbawa, ang isang radio wave ay may mga katangian ng amplitude, ngunit ang nakikitang liwanag, na ang mga alon ay, sabihin nating, bahagyang mas maikli kaysa sa mga radio wave, ay walang amplitude. Ang lahat ng inilarawan sa itaas ay nagsasabi lamang na ang gayong konsepto bilang isang photon ay, sa madaling salita, malabo, at lahat ng mga phenomena na nagpapahiwatig ng pagkakaroon nito bilang kanilang interpretasyon ay hindi naninindigan sa pagsisiyasat. O sila ay inimbento lamang bilang suporta sa anumang hypothesis, na malamang na ang kaso.

Tulad ng para sa Compton scattering ng liwanag (ang Compoton effect), ito ay hindi sa lahat ng malinaw kung paano, sa batayan ng epekto na ito, ito ay concluded na ang liwanag ay isang particle at hindi isang wave.

Sa pangkalahatan, sa katunayan, ang pisika ngayon ay walang konkretong kumpirmasyon na ang partikulo ng photon ay ganap at umiiral sa anyo ng isang particle sa prinsipyo. Mayroong isang tiyak na quantum na nailalarawan sa pamamagitan ng isang frequency gradient at wala na. At ang pinaka-kawili-wili, ang mga sukat (haba) ng photon na ito, ayon sa E=hv, ay maaaring mula sa ilang sampu-sampung micron hanggang ilang kilometro. At ang lahat ng ito ay hindi nakakalito sa sinuman kapag ginagamit ang salitang "particle" sa isang photon.

Halimbawa, ang isang femtosecond laser na may haba ng pulso na 100 femtosecond ay may haba ng pulso (photon) na 30 microns. Para sa sanggunian, sa isang transparent na kristal, ang distansya sa pagitan ng mga atom ay humigit-kumulang 3 angstrom. Buweno, paano lumipad ang isang photon mula sa atom patungo sa atom, na ang halaga nito ay ilang beses na mas malaki kaysa sa distansyang ito?

Ngunit ngayon, ang pisika ay hindi nag-aatubili na gumana sa konsepto ng quantum, photon o particle na may kaugnayan sa liwanag. Hindi lamang binibigyang pansin ang katotohanang hindi ito akma sa karaniwang modelo na naglalarawan sa bagay at sa mga batas kung saan ito umiiral.

Ang mga unang ideya ng mga sinaunang siyentipiko tungkol sa kung ano ang liwanag ay napakawalang muwang. Mayroong ilang mga punto ng view. Ang ilan ay naniniwala na ang mga espesyal na manipis na galamay ay lumalabas sa mga mata at ang mga visual na impresyon ay lumitaw kapag sila ay nakakaramdam ng mga bagay. Ang pananaw na ito ay may malaking bilang ng mga tagasunod, kasama sina Euclid, Ptolemy at marami pang ibang mga siyentipiko at pilosopo. Ang iba, sa kabaligtaran, ay naniniwala na ang mga sinag ay ibinubuga ng isang makinang na katawan at, na umaabot sa mata ng tao, nagdadala ng imprint ng isang makinang na bagay. Ang pananaw na ito ay pinanghahawakan ni Lucretius, Democritus.

Kasabay nito, binuo ni Euclid ang batas ng rectilinear propagation ng liwanag. Sumulat siya: "Ang mga sinag na ibinubuga ng mga mata ay kumakalat sa isang tuwid na landas."

Gayunpaman, sa paglaon, nasa Middle Ages na, ang gayong ideya ng likas na katangian ng liwanag ay nawawala ang kahulugan nito. Paunti-unti ang mga siyentipiko na sumusunod sa mga pananaw na ito. At sa simula ng siglo XVII. ang mga puntong ito ng pananaw ay maaaring ituring na nakalimutan na.

Noong ika-17 siglo, halos sabay-sabay, nagsimulang umunlad ang dalawang ganap na magkakaibang teorya tungkol sa kung ano ang liwanag at kung ano ang kalikasan nito.

Ang isa sa mga teoryang ito ay nauugnay sa pangalan ni Newton, at ang isa ay may pangalan ng Huygens.

Si Newton ay sumunod sa tinatawag na corpuscular theory of light, ayon sa kung saan ang liwanag ay isang stream ng mga particle na nagmumula sa isang pinagmulan sa lahat ng direksyon (substance transfer).

Ayon sa mga ideya ni Huygens, ang liwanag ay isang stream ng mga alon na nagpapalaganap sa isang espesyal, hypothetical medium - eter, na pumupuno sa lahat ng espasyo at tumagos sa lahat ng mga katawan.

Ang parehong mga teorya ay umiral nang magkatulad sa mahabang panahon. Wala sa kanila ang maaaring manalo ng isang mapagpasyang tagumpay. Ang awtoridad lamang ni Newton ang nagpilit sa karamihan ng mga siyentipiko na bigyan ng kagustuhan ang teorya ng corpuscular. Ang mga batas ng pagpapalaganap ng liwanag na kilala sa oras na iyon mula sa karanasan ay higit pa o hindi gaanong matagumpay na naipaliwanag ng parehong mga teorya.

Ang teorya ng alon ay ipinaliwanag ito nang madali. Ang mga alon, halimbawa, sa ibabaw ng tubig, ay malayang dumadaan sa isa't isa nang walang impluwensya sa isa't isa.

Gayunpaman, ang rectilinear propagation ng liwanag, na humahantong sa pagbuo ng matalim na mga anino sa likod ng mga bagay, ay mahirap ipaliwanag batay sa teorya ng alon. Sa ilalim ng corpuscular theory, ang rectilinear propagation ng liwanag ay bunga lamang ng law of inertia.

Ang gayong di-tiyak na posisyon tungkol sa likas na katangian ng liwanag ay nagpatuloy hanggang sa simula ng ika-19 na siglo, nang natuklasan ang mga phenomena ng light diffraction (nakababalot sa liwanag sa paligid ng mga hadlang) at light interference (pagpapalakas o pagpapahina ng pag-iilaw kapag ang mga light beam ay nakapatong sa isa't isa) . Ang mga phenomena na ito ay likas na eksklusibo sa paggalaw ng alon. Imposibleng ipaliwanag ang mga ito sa tulong ng corpuscular theory. Samakatuwid, tila ang teorya ng alon ay nanalo ng isang pangwakas at kumpletong tagumpay.

Ang gayong pagtitiwala ay lalong lumakas nang ipakita ni Maxwell sa ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo na ang liwanag ay isang espesyal na kaso ng mga electromagnetic wave. Inilatag ng gawa ni Maxwell ang mga pundasyon para sa electromagnetic theory ng liwanag.

Matapos ang eksperimentong pagtuklas ng mga electromagnetic wave ni Hertz, walang duda na ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang alon sa panahon ng pagpapalaganap.

Gayunpaman, sa huling bahagi ng ika-19 na siglo, ang mga ideya tungkol sa likas na katangian ng liwanag ay nagsimulang magbago nang radikal. Biglang lumabas na ang tinanggihang teorya ng corpuscular ay may kaugnayan pa rin sa katotohanan.

Kapag inilabas at hinihigop, ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang stream ng mga particle.

Ang hindi tuloy-tuloy, o, gaya ng sinasabi nila, ang mga katangian ng quantum ng liwanag ay natuklasan. Ang isang hindi pangkaraniwang sitwasyon ay lumitaw: ang mga phenomena ng interference at diffraction ay maaari pa ring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa liwanag bilang isang alon, at ang phenomena ng radiation at pagsipsip ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagsasaalang-alang sa liwanag bilang isang stream ng mga particle. Ang dalawang tila hindi magkatugma na mga ideya tungkol sa likas na katangian ng liwanag sa 30s ng XX siglo ay pinamamahalaang patuloy na pinagsama sa isang bagong natitirang pisikal na teorya - quantum electrodynamics.

1. Mga katangian ng alon ng liwanag

Ang pagiging nakikibahagi sa pagpapabuti ng mga teleskopyo, binigyang pansin ni Newton ang katotohanan na ang imahe na ibinigay ng lens ay may kulay sa mga gilid. Naging interesado siya dito at siya ang unang "nag-imbestiga sa pagkakaiba-iba ng mga sinag ng liwanag at ang mga resultang katangian ng mga kulay, na hindi pa nakikilala ng sinuman noon" (mga salita mula sa inskripsiyon sa libingan ni Newton). Ang pangunahing eksperimento ni Newton ay napakasimple. Nahulaan ni Newton na magpadala ng isang light beam ng maliit na cross section sa isang prisma. Isang sinag ng sikat ng araw ang pumasok sa madilim na silid sa pamamagitan ng isang maliit na butas sa shutter. Nahulog sa isang glass prism, ito ay nag-refracte at nagbigay sa tapat ng dingding ng isang pahabang imahe na may iridescent na paghahalili ng mga kulay. Kasunod ng mga siglong lumang tradisyon na ang bahaghari ay itinuturing na binubuo ng pitong pangunahing kulay, natukoy din ni Newton ang pitong kulay: lila, asul, cyan, berde, dilaw, kahel at pula. Tinawag ni Newton ang rainbow strip mismo na isang spectrum.

Ang pagsasara ng butas na may pulang salamin, napansin lamang ni Newton ang isang pulang lugar sa dingding, isinara ito ng asul-asul, atbp. Ito ay sumunod mula dito na hindi ang prisma ang nagkulay sa puting liwanag, gaya ng ipinapalagay dati. Ang prisma ay hindi nagbabago ng kulay, ngunit nabubulok lamang ito sa mga bahaging bahagi nito. Ang puting ilaw ay may kumplikadong istraktura. Posible na makilala ang mga beam ng iba't ibang kulay mula dito, at tanging ang kanilang magkasanib na pagkilos ay nagbibigay sa amin ng impresyon ng isang puting kulay. Sa katunayan, kung gumagamit ng pangalawang prisma ay umiikot ng 180 degrees na may kaugnayan sa una. Kolektahin ang lahat ng mga sinag ng spectrum, pagkatapos ay muli kang makakuha ng puting liwanag. Kung iisa-isahin natin ang anumang bahagi ng spectrum, halimbawa, berde, at pipilitin ang liwanag na dumaan sa isa pang prisma, hindi na tayo magkakaroon ng karagdagang pagbabago sa kulay.

Ang isa pang mahalagang konklusyon na narating ni Newton ay ginawa niya sa kanyang treatise sa "Optics" tulad ng sumusunod: "Ang mga light beam na naiiba sa kulay ay naiiba sa antas ng repraksyon." Ang mga violet ray ay pinaka-malakas na refracted, ang mga pula ay mas mababa kaysa sa iba. Ang pag-asa ng refractive index ng liwanag sa kulay nito ay tinatawag na dispersion (mula sa salitang Latin na Dispergo, I scatter).

Pinahusay pa ni Newton ang kanyang mga obserbasyon sa spectrum upang makakuha ng mas dalisay na mga kulay. Pagkatapos ng lahat, ang mga bilog na kulay na mga spot ng light beam na dumaan sa prisma ay bahagyang nag-overlap sa bawat isa. Sa halip na isang bilog na butas, isang makitid na hiwa (A) ang ginamit, na iluminado ng isang maliwanag na pinagmulan. Sa likod ng hiwa ay isang lens (B) na gumawa ng isang imahe sa screen (D) sa anyo ng isang makitid na puting guhit. Kung ang isang prism (C) ay inilalagay sa landas ng mga sinag, kung gayon ang imahe ng slit ay iuunat sa isang spectrum, isang kulay na strip, ang mga paglipat ng kulay kung saan mula pula hanggang lila ay katulad ng mga naobserbahan sa isang bahaghari. Ang karanasan ni Newton ay ipinapakita sa Fig. 1

Kung tinakpan mo ang puwang na may kulay na salamin, i.e. Kung ididirekta mo ang may kulay na liwanag sa isang prisma sa halip na puting liwanag, ang imahe ng slit ay mababawasan sa isang may kulay na parihaba na matatagpuan sa kaukulang lugar sa spectrum, i.e. depende sa kulay, ang liwanag ay lilihis sa iba't ibang mga anggulo mula sa orihinal na imahe. Ang inilarawan na obserbasyon ay nagpapakita na ang mga sinag ng iba't ibang kulay ay naiiba sa pag-refracte ng isang prisma.

Napatunayan ni Newton ang mahalagang konklusyong ito sa pamamagitan ng maraming eksperimento. Ang pinakamahalaga sa kanila ay binubuo sa pagtukoy ng refractive index ng mga sinag ng iba't ibang kulay na nakuha mula sa spectrum. Para sa layuning ito, isang butas ang pinutol sa screen kung saan nakuha ang spectrum; sa pamamagitan ng paglipat ng screen, posible na maglabas ng isang makitid na sinag ng mga sinag ng isang kulay o iba pa sa pamamagitan ng butas. Ang pamamaraang ito ng pag-highlight ng mga homogenous na ray ay mas perpekto kaysa sa pag-highlight na may kulay na salamin. Ipinakita ng mga eksperimento na ang naturang napiling sinag, na na-refracte sa pangalawang prisma, ay hindi na umaabot sa strip. Ang nasabing beam ay tumutugma sa isang tiyak na refractive index, ang halaga nito ay depende sa kulay ng napiling beam.

Kaya, ang mga pangunahing eksperimento ni Newton ay naglalaman ng dalawang mahahalagang pagtuklas:

1. Ang liwanag ng iba't ibang kulay ay nailalarawan sa pamamagitan ng iba't ibang mga indeks ng repraktibo sa isang partikular na sangkap (dispersion).

2. Ang puti ay isang koleksyon ng mga simpleng kulay.

Alam na natin ngayon na ang iba't ibang kulay ay tumutugma sa iba't ibang wavelength ng liwanag. Samakatuwid, ang unang pagtuklas ni Newton ay maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod: ang refractive index ng matter ay nakasalalay sa wavelength ng liwanag. Karaniwan itong tumataas habang bumababa ang wavelength.

Ang panghihimasok ng liwanag ay naobserbahan sa napakatagal na panahon, ngunit hindi nila ito namalayan. Marami ang nakakita ng interference pattern noong sila ay nagsasaya sa pag-ihip ng mga bula ng sabon noong bata pa o napanood ang iridescent na pag-apaw ng mga kulay ng manipis na pelikula ng kerosene sa ibabaw ng tubig. Ito ay ang interference ng liwanag na gumagawa ng sabon bubble kaya kahanga-hanga.

Ang Ingles na siyentipiko na si Thomas Young ang unang nakaisip ng isang napakatalino na ideya tungkol sa posibilidad na ipaliwanag ang mga kulay ng manipis na mga pelikula sa pamamagitan ng pagdaragdag ng dalawang alon, kung saan ang isa (A) ay makikita mula sa panlabas na ibabaw ng pelikula, at ang pangalawa ( B) mula sa panloob (Larawan 2)

AT

PERO

Sa kasong ito, ang pagkagambala ng mga light wave ay nangyayari - ang pagdaragdag ng dalawang alon, bilang isang resulta kung saan mayroong pagtaas o pagbaba sa mga nagresultang light vibrations sa iba't ibang mga punto sa espasyo. Ang resulta ng interference (amplification o attenuation ng mga resultang oscillations) ay depende sa kapal ng pelikula at wavelength. Ang amplification ng liwanag ay magaganap kung ang refracted wave 2 (na sinasalamin mula sa panloob na ibabaw ng pelikula) ay nahuhuli sa wave 1 (na sinasalamin mula sa panlabas na ibabaw ng pelikula) ng isang integer na bilang ng mga wavelength. Kung ang pangalawang alon ay nahuhuli sa una sa pamamagitan ng kalahating haba ng daluyong o sa pamamagitan ng isang kakaibang bilang ng kalahating alon, kung gayon ang ilaw ay mapapahina.

Upang mabuo ang isang matatag na pattern ng interference kapag idinagdag ang mga alon, ang mga alon ay dapat na magkakaugnay, i.e. dapat magkaroon ng parehong wavelength at pare-pareho ang pagkakaiba ng phase. Ang pagkakaugnay-ugnay ng mga alon na sinasalamin mula sa panlabas at panloob na mga ibabaw ng pelikula ay sinisiguro ng katotohanan na pareho sa kanila ay mga bahagi ng parehong sinag ng liwanag. Ang mga alon na ibinubuga ng dalawang ordinaryong independiyenteng mga mapagkukunan ay hindi nagbibigay ng isang pattern ng pagkagambala dahil sa katotohanan na ang pagkakaiba sa bahagi ng dalawang alon mula sa mga naturang mapagkukunan ay hindi pare-pareho.

Napagtanto din ni Jung na ang pagkakaiba sa kulay ay dahil sa pagkakaiba sa wavelength (o frequency) ng mga light wave. Ang mga ilaw na daloy ng iba't ibang kulay ay tumutugma sa mga alon na may iba't ibang haba. Ang mutual amplification ng mga alon na may iba't ibang haba ay nangangailangan ng iba't ibang kapal ng pelikula. Samakatuwid, kung ang pelikula ay may hindi pantay na kapal, pagkatapos ay kapag ito ay iluminado ng puting ilaw, dapat lumitaw ang iba't ibang mga kulay.

Ang light diffraction sa makitid na kahulugan ay ang phenomenon ng liwanag na baluktot sa paligid ng mga obstacle at liwanag na pumapasok sa rehiyon ng isang geometric na anino; sa isang malawak na kahulugan - anumang paglihis sa pagpapalaganap ng liwanag mula sa mga batas ng geometric na optika.

Depinisyon ni Sommerfeld: Ang light diffraction ay nauunawaan na nangangahulugan ng anumang paglihis mula sa rectilinear propagation, kung hindi ito maipaliwanag bilang resulta ng pagmuni-muni, repraksyon o pagyuko ng mga light ray sa media na may patuloy na pagbabago ng refractive index.

Noong 1802 Si Jung, na natuklasan ang interference ng liwanag, ay nag-set up ng isang klasikal na eksperimento sa diffraction (Larawan 3).

Sa isang opaque na screen, tinusok niya ang dalawang maliit na butas B at C gamit ang isang pin, sa isang maliit na distansya mula sa isa't isa. Ang mga butas na ito ay iluminado ng isang makitid na light beam, na dumaan naman sa isang maliit na butas A sa isa pang screen. Ang detalyeng ito, na napakahirap isipin noong panahong iyon, ang nagpasya sa tagumpay ng eksperimento. Ang magkakaugnay na alon lamang ang nakakasagabal. Ang spherical wave na lumitaw alinsunod sa prinsipyo ng Huygens mula sa hole A na nasasabik na magkakaugnay na oscillations sa mga butas B at C. Bilang resulta ng diffraction, dalawang light cone ang lumitaw mula sa mga butas B at C, na bahagyang nag-overlap. Bilang resulta ng interference ng mga light wave, ang mga alternating light at dark stripes ay lumitaw sa screen. Pagsara ng isa sa mga butas, nalaman ni Jung na nawala ang interference fringes. Sa tulong ng eksperimentong ito na unang sinukat ni Jung ang mga wavelength na tumutugma sa mga light ray ng iba't ibang kulay, at napakatumpak.

Ang pag-aaral ng diffraction ay natapos sa mga gawa ng Fresnel. Detalyadong pinag-aralan niya ang iba't ibang function ng diffraction sa mga eksperimento at bumuo ng quantitative theory of diffraction, na ginagawang posible na kalkulahin ang pattern ng diffraction na lumilitaw kapag ang liwanag ay pumapalibot sa anumang mga hadlang.

Gamit ang teorya ng diffraction, nilulutas nila ang mga problema tulad ng proteksyon ng ingay gamit ang mga acoustic screen, ang pagpapalaganap ng mga radio wave sa ibabaw ng Earth, ang pagpapatakbo ng mga optical na instrumento (dahil ang imahe na ibinigay ng lens ay palaging isang pattern ng diffraction), mga sukat ng kalidad ng ibabaw. , ang pag-aaral ng istruktura ng bagay, at marami pang iba. .

Ang mga bagong katangian tungkol sa likas na katangian ng mga light wave ay ipinapakita sa pamamagitan ng karanasan sa pagpasa ng liwanag sa pamamagitan ng mga kristal, lalo na sa pamamagitan ng tourmaline.

Kumuha ng dalawang magkaparehong hugis-parihaba na plato ng tourmaline, gupitin upang ang isa sa mga gilid ng rektanggulo ay tumutugma sa isang tiyak na direksyon sa loob ng kristal, na tinatawag na optical axis. Ilagay natin ang isang plato sa isa pa upang ang kanilang mga palakol ay magkasabay sa direksyon, at hayaan ang isang makitid na sinag ng liwanag mula sa isang parol o araw na dumaan sa nakatiklop na pares ng mga plato. Ang tourmaline ay isang brown-green na kristal, ang bakas ng dumaan na sinag sa screen ay lilitaw bilang isang madilim na berdeng batik. Simulan nating paikutin ang isa sa mga plato sa paligid ng sinag, na iniiwan ang pangalawa na hindi gumagalaw. Malalaman natin na ang bakas ng sinag ay nagiging mas mahina, at kapag ang plato ay umiikot 90 0 , ito ay tuluyang mawawala. Sa karagdagang pag-ikot ng plate, ang transmitted beam ay magsisimulang tumaas muli at maabot ang nakaraang intensity kapag ang plate ay umiikot sa pamamagitan ng 180 0, i.e. kapag ang mga optical axes ng mga plato ay muling magkatulad. Sa karagdagang pag-ikot ng tourmaline, humihina muli ang sinag.

Mula sa mga phenomena na ito, ang mga sumusunod na konklusyon ay maaaring iguguhit:

1. Ang mga light vibrations sa beam ay nakadirekta patayo sa linya ng light propagation (light waves ay transverse).

2. Ang Tourmaline ay nakakapagpadala lamang ng mga magaan na vibrations kapag sila ay nakadirekta sa isang tiyak na paraan na may kaugnayan sa axis nito.

3. Sa liwanag ng isang parol (ang araw), ang mga transverse vibrations ng anumang direksyon ay ipinakita at, bukod dito, sa parehong proporsyon, upang walang direksyon ang nangingibabaw.

Ang Konklusyon 3 ay nagpapaliwanag kung bakit ang natural na liwanag ay dumadaan sa tourmaline sa parehong lawak sa anumang oryentasyon, bagama't ang tourmaline, ayon sa konklusyon 2, ay nakakapagpadala lamang ng mga light vibrations sa isang tiyak na direksyon. Ang pagpasa ng natural na liwanag sa pamamagitan ng tourmaline ay humahantong sa katotohanan na ang mga vibrations lamang na maaaring ipadala ng tourmaline ay pinili mula sa transverse vibrations. Samakatuwid, ang liwanag na dumadaan sa tourmaline ay magiging isang hanay ng mga transverse vibrations sa isang direksyon, na tinutukoy ng oryentasyon ng tourmaline axis. Tatawagin natin ang naturang ilaw na linearly polarized, at ang eroplanong naglalaman ng direksyon ng oscillation at ang axis ng light beam ay tatawaging plane of polarization.

Ngayon ang eksperimento sa pagpasa ng liwanag sa pamamagitan ng dalawang sunod-sunod na inilagay na tourmaline plate ay nagiging malinaw. Ang unang plato ay nagpo-polarize sa sinag ng liwanag na dumadaan dito, na nag-iiwan lamang ng isang direksyon ng oscillation dito. Ang mga vibrations na ito ay maaaring ganap na dumaan sa pangalawang tourmaline kung ang kanilang direksyon ay tumutugma sa direksyon ng mga vibrations na ipinadala ng pangalawang tourmaline, i.e. kapag ang axis nito ay parallel sa axis ng una. Kung ang direksyon ng mga vibrations sa polarized na ilaw ay patayo sa direksyon ng mga vibrations na ipinadala ng pangalawang tourmaline, kung gayon ang ilaw ay ganap na mai-block. Kung ang direksyon ng oscillation sa polarized light ay gumagawa ng isang matinding anggulo sa direksyon na ipinadala ng tourmaline, kung gayon ang oscillation ay bahagyang maipapadala lamang.

2. Quantum properties ng liwanag

Noong 1887 Ipinaliwanag ng German physicist na si Hertz ang phenomenon ng photoelectric effect. Ang Quantum Hypothesis ni Planck ay nagsilbing batayan para dito.

Ang kababalaghan ng photoelectric effect ay nakita kapag nag-iilaw sa isang zinc plate na konektado sa baras ng isang electrometer. Kung ang isang positibong singil ay inilipat sa plato at baras, kung gayon ang electrometer ay hindi naglalabas kapag ang plato ay naiilaw. Kapag ang isang negatibong singil ng kuryente ay ibinibigay sa plato, ang electrometer ay ilalabas sa sandaling tumama ang ultraviolet radiation sa plato. Ang eksperimentong ito ay nagpapatunay na ang mga negatibong singil sa kuryente ay maaaring ilabas mula sa ibabaw ng isang metal plate sa ilalim ng pagkilos ng liwanag. Ang mga sukat ng singil at masa ng mga particle na inilabas ng liwanag ay nagpakita na ang mga particle na ito ay mga electron.

Ang mga pagtatangka ay ginawa upang ipaliwanag ang mga batas ng panlabas na photoelectric na epekto sa batayan ng mga konsepto ng alon ng liwanag. Ayon sa mga ideyang ito, ang mekanismo ng photoelectric effect ay ganito ang hitsura. Ang isang magaan na alon ay bumabagsak sa isang metal. Ang mga electron na matatagpuan sa ibabaw na layer nito ay sumisipsip ng enerhiya ng alon na ito, at ang kanilang enerhiya ay unti-unting tumataas. Kapag ito ay naging mas malaki kaysa sa work function, ang mga electron ay nagsisimulang lumipad palabas ng metal. Kaya, ang wave theory ng liwanag ay may kakayahang qualitatively na ipaliwanag ang phenomenon ng photoelectric effect.

Gayunpaman, ipinakita ng mga kalkulasyon na sa paliwanag na ito, ang oras sa pagitan ng pagsisimula ng pag-iilaw ng metal at ng pagsisimula ng paglabas ng elektron ay dapat nasa pagkakasunud-sunod ng sampung segundo. Samantala, ito ay sumusunod mula sa karanasan na t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

Ayon sa wave theory, ang kinetic energy ng photoelectrons ay dapat tumaas sa pagtaas ng intensity ng light incident sa metal. At ang intensity ng wave ay tinutukoy ng amplitude ng intensity fluctuations E, at hindi sa dalas ng liwanag. (Tanging ang bilang ng mga ejected electron at ang intensity ng saturation current ay nakasalalay sa intensity ng incident light).

Ito ay sumusunod mula sa teorya ng alon na ang enerhiya na kinakailangan upang ilabas ang mga electron mula sa isang metal ay maaaring ibigay sa pamamagitan ng radiation ng anumang wavelength, kung ang intensity nito ay sapat na mataas, i.e. na ang photoelectric effect ay maaaring sanhi ng anumang light radiation. Gayunpaman, mayroong isang pulang hangganan ng photoelectric effect, i.e. ang enerhiya na natanggap ng mga electron ay hindi nakasalalay sa amplitude ng alon, ngunit sa dalas nito.

Kaya, ang mga pagtatangka na ipaliwanag ang mga pattern ng photoelectric na epekto sa batayan ng mga konsepto ng alon ng liwanag ay naging hindi mapagkakatiwalaan.

Ang Compton effect ay isang pagbabago sa dalas o wavelength ng mga photon sa panahon ng kanilang pagkalat ng mga electron at nucleon. Ang epekto na ito ay hindi umaangkop sa balangkas ng teorya ng alon, ayon sa kung saan ang haba ng daluyong ay hindi dapat magbago sa panahon ng pagkalat: sa ilalim ng pagkilos ng isang pana-panahong larangan ng isang liwanag na alon, ang isang elektron ay nag-o-oscillate sa dalas ng patlang at samakatuwid ay naglalabas ng mga nakakalat na alon. ng parehong dalas.

Ang Compton effect ay naiiba sa photoelectric effect dahil ang photon ay naglilipat ng enerhiya nito sa mga particle ng bagay na hindi kumpleto. Ang isang espesyal na kaso ng epekto ng Compton ay ang pagkakalat ng mga x-ray sa mga shell ng elektron ng mga atomo at ang pagkakalat ng mga gamma ray sa atomic nuclei. Sa pinakasimpleng kaso, ang epekto ng Compton ay ang pagkalat ng mga monochromatic X-ray ng mga light substance (graphite, paraffin, atbp.), at sa teoretikal na pagsasaalang-alang ng epektong ito, sa kasong ito, ang electron ay itinuturing na libre.

Ang paliwanag ng epekto ng Compton ay ibinibigay batay sa mga konseptong quantum ng kalikasan ng liwanag. Kung ipagpalagay natin, tulad ng ginagawa ng quantum theory, ang radiation ay may corpuscular nature.

Parehong ang Compton effect at ang photoelectric effect batay sa mga konsepto ng quantum ay dahil sa pakikipag-ugnayan ng mga photon sa mga electron. Sa unang kaso, ang photon ay nakakalat, sa pangalawa, ito ay nasisipsip. Ang scattering ay nangyayari kapag ang isang photon ay nakikipag-ugnayan sa mga libreng electron, at ang photoelectric effect ay nangyayari kapag ito ay nakikipag-ugnayan sa mga nakagapos na mga electron. Maaari itong ipakita na kapag ang isang photon ay bumangga sa mga libreng electron, ang pagsipsip ng isang photon ay hindi maaaring mangyari, dahil ito ay salungat sa mga batas ng konserbasyon ng momentum at enerhiya. Samakatuwid, kapag ang mga photon ay nakikipag-ugnayan sa mga libreng electron, tanging ang kanilang pagkalat ay maaaring maobserbahan, i.e. Compton effect.

Konklusyon

Ang mga phenomena ng interference, diffraction, polarization ng liwanag mula sa mga ordinaryong pinagmumulan ng liwanag ay hindi maikakaila na nagpapatotoo sa mga katangian ng alon ng liwanag. Gayunpaman, kahit na sa mga phenomena na ito, sa ilalim ng naaangkop na mga kondisyon, ang liwanag ay nagpapakita ng mga katangian ng corpuscular. Sa turn, ang mga regularidad ng thermal radiation ng mga katawan, ang photoelectric effect at iba pa ay hindi maikakaila na ang liwanag ay kumikilos hindi bilang isang tuloy-tuloy, pinahabang alon, ngunit bilang isang stream ng "mga clots" (mga bahagi, quanta) ng enerhiya, i.e. tulad ng isang stream ng mga particle - mga photon.

Kaya, pinagsasama ng liwanag ang pagpapatuloy ng mga alon at ang discreteness ng mga particle. Kung isasaalang-alang natin na ang mga photon ay umiiral lamang kapag gumagalaw (na may bilis na c), pagkatapos ay dumating tayo sa konklusyon na ang parehong mga katangian ng alon at corpuscular ay sabay-sabay na likas sa liwanag. Ngunit sa ilang mga phenomena, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang alinman sa wave o corpuscular na katangian ay gumaganap ng pangunahing papel, at ang liwanag ay maaaring ituring na alinman bilang isang alon o bilang mga particle (corpuscles).

Listahan ng ginamit na panitikan

1. Yavorsky B.M. Detlaf A.A. Handbook ng Physics. – M.: Nauka 2002.

2. Trofimova T.I. Kurso ng pisika - M .: Mas mataas na paaralan 2001.

3. Gursky I.P. Elementary Physics, ed. I.V. Savelyeva - M .: Enlightenment 1984

4. Myakishev G.Ya. Bukhovtsev B.B. Physics - M .: Edukasyon 1982.

Ang mga unang ideya ng mga sinaunang siyentipiko tungkol sa kung ano ang liwanag ay napakawalang muwang. Mayroong ilang mga punto ng view. Ang ilan ay naniniwala na ang mga espesyal na manipis na galamay ay lumalabas sa mga mata at ang mga visual na impresyon ay lumitaw kapag sila ay nakakaramdam ng mga bagay. Ang pananaw na ito ay may malaking bilang ng mga tagasunod, kasama sina Euclid, Ptolemy at marami pang ibang mga siyentipiko at pilosopo. Ang iba, sa kabaligtaran, ay naniniwala na ang mga sinag ay ibinubuga ng isang makinang na katawan at, na umaabot sa mata ng tao, nagdadala ng imprint ng isang makinang na bagay. Ang pananaw na ito ay pinanghahawakan ni Lucretius, Democritus.

Noong ika-17 siglo, halos sabay-sabay, nagsimulang umunlad ang dalawang ganap na magkakaibang teorya tungkol sa kung ano ang liwanag at kung ano ang kalikasan nito. Ang isa sa mga teoryang ito ay nauugnay sa pangalan ni I. Newton, at ang isa pa - na may pangalang H. Huygens.

I. Si Newton ay sumunod sa tinatawag na corpuscular theory ng liwanag, ayon sa kung saan ang liwanag ay isang stream ng mga particle na nagmumula sa isang pinagmulan sa lahat ng direksyon (substance transfer).

Ayon sa mga ideya ni H. Huygens, ang liwanag ay isang stream ng mga alon na nagpapalaganap sa isang espesyal, hypothetical medium - eter, na pumupuno sa lahat ng espasyo at tumagos sa lahat ng mga katawan.

Ang parehong mga teorya ay umiral nang magkatulad sa mahabang panahon. Wala sa kanila ang maaaring manalo ng isang mapagpasyang tagumpay. Tanging ang awtoridad ni I. Newton ang nagpilit sa karamihan ng mga siyentipiko na bigyan ng kagustuhan ang teorya ng corpuscular. Ang mga batas ng pagpapalaganap ng liwanag na kilala sa oras na iyon mula sa karanasan ay higit pa o hindi gaanong matagumpay na naipaliwanag ng parehong mga teorya.

Sa batayan ng teorya ng corpuscular, mahirap ipaliwanag kung bakit ang mga light beam, tumatawid sa kalawakan, ay hindi kumikilos sa bawat isa sa anumang paraan. Pagkatapos ng lahat, ang mga light particle ay dapat magbanggaan at magkalat.

Ang teorya ng alon ay ipinaliwanag ito nang madali. Ang mga alon, halimbawa, sa ibabaw ng tubig, ay malayang dumadaan sa isa't isa nang walang impluwensya sa isa't isa.

Gayunpaman, ang rectilinear propagation ng liwanag, na humahantong sa pagbuo ng matalim na mga anino sa likod ng mga bagay, ay mahirap ipaliwanag batay sa teorya ng alon. Sa ilalim ng corpuscular theory, ang rectilinear propagation ng liwanag ay bunga lamang ng law of inertia.

Ang gayong di-tiyak na posisyon tungkol sa likas na katangian ng liwanag ay nagpatuloy hanggang sa simula ng ika-19 na siglo, nang natuklasan ang mga phenomena ng light diffraction (nakababalot sa liwanag sa paligid ng mga hadlang) at light interference (pagpapalakas o pagpapahina ng pag-iilaw kapag ang mga light beam ay nakapatong sa isa't isa) . Ang mga phenomena na ito ay likas na eksklusibo sa paggalaw ng alon. Imposibleng ipaliwanag ang mga ito sa tulong ng corpuscular theory. Kasama rin sa mga katangian ng alon ng liwanag ang pagpapakalat ng liwanag, polariseysyon. Samakatuwid, tila ang teorya ng alon ay nanalo ng isang pangwakas at kumpletong tagumpay.

Ang gayong kumpiyansa ay lalong lumakas nang ipakita ni D. Maxwell sa ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo na ang liwanag ay isang espesyal na kaso ng mga electromagnetic wave. Inilatag ng mga gawa ni D.Maxwell ang mga pundasyon ng electromagnetic theory ng liwanag. Matapos ang eksperimentong pagtuklas ng mga electromagnetic wave ni G. Hertz, walang duda na ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang alon sa panahon ng pagpapalaganap. Gayunpaman, sa simula ng ika-20 siglo, ang mga ideya tungkol sa likas na katangian ng liwanag ay nagsimulang magbago nang radikal. Biglang lumabas na ang tinanggihang teorya ng corpuscular ay may kaugnayan pa rin sa katotohanan. Kapag inilabas at hinihigop, ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang stream ng mga particle. Ang mga katangian ng alon ng liwanag ay hindi maipaliwanag ang mga pattern ng photoelectric effect.

Isang hindi pangkaraniwang sitwasyon ang lumitaw. Ang mga phenomena ng interference, diffraction, polarization ng liwanag mula sa mga ordinaryong pinagmumulan ng liwanag ay hindi maikakaila na nagpapatotoo sa mga katangian ng alon ng liwanag. Gayunpaman, kahit na sa mga phenomena na ito, sa ilalim ng naaangkop na mga kondisyon, ang liwanag ay nagpapakita ng mga katangian ng corpuscular. Sa turn, ang mga regularidad ng thermal radiation ng mga katawan, ang photoelectric effect at iba pa ay hindi maikakaila na ang liwanag ay kumikilos hindi bilang isang tuloy-tuloy, pinahabang alon, ngunit bilang isang stream ng "mga clots" (mga bahagi, quanta) ng enerhiya, i.e. tulad ng isang stream ng mga particle - mga photon.

Kaya, pinagsasama ng liwanag ang pagpapatuloy ng mga alon at ang discreteness ng mga particle. Kung isasaalang-alang natin na ang mga photon ay umiiral lamang kapag gumagalaw (na may bilis na c), pagkatapos ay mapupunta tayo sa konklusyon na ang parehong wave at corpuscular na katangian ay sabay-sabay na likas sa liwanag. Ngunit sa ilang mga phenomena, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, alinman sa wave o corpuscular properties gumaganap ng pangunahing papel at ang liwanag ay maaaring ituring na alinman bilang isang alon o bilang mga particle (corpuscles).

Ang sabay-sabay na presensya ng wave at corpuscular properties sa mga bagay ay tinatawag wave-particle duality.

Mga katangian ng alon ng microparticle. Electron diffraction

Noong 1923, ang French physicist na si L. de Broglie ay naglagay ng hypothesis tungkol sa universality ng wave-particle duality. Nagtalo si De Broglie na hindi lamang ang mga photon, kundi pati na rin ang mga electron at anumang iba pang particle ng matter, kasama ng mga corpuscular, ay mayroon ding mga katangian ng alon.

Ayon kay de Broglie, ang bawat micro-object ay nauugnay, sa isang banda, na may mga corpuscular na katangian - enerhiya E at momentum p, at sa kabilang banda, mga katangian ng alon - dalas ν at wavelength λ .

Ang mga katangian ng corpuscular at wave ng mga micro-object ay nauugnay sa parehong dami ng mga relasyon tulad ng sa isang photon:

\(~E = h \nu ;\;\;\; p = \dfrac(h \nu)(c) = \dfrac(h)(\lambda)\) .

Ipinalagay ng hypothesis ni De Broglie ang mga ugnayang ito para sa lahat ng microparticle, kabilang ang mga may masa. m. Ang anumang particle na may momentum ay nauugnay sa proseso ng wave na may wavelength \(~\lambda = \dfrac(h)(p)\) . Para sa mga particle na may mass,

\(~\lambda = \dfrac(h)(p) = \dfrac(h \cdot \sqrt(1 - \dfrac(\upsilon^2)(c^2)))(m \cdot \upsilon)\) .

Sa nonrelativistic approximation ( υ « c)

\(~\lambda = \dfrac(h)(m \cdot \upsilon)\) .

Ang hypothesis ni De Broglie ay batay sa mga pagsasaalang-alang ng simetrya ng mga katangian ng bagay at walang pang-eksperimentong kumpirmasyon noong panahong iyon. Ngunit ito ay isang malakas na rebolusyonaryong impetus sa pagbuo ng mga bagong ideya tungkol sa likas na katangian ng mga materyal na bagay. Sa paglipas ng ilang taon, ang isang bilang ng mga natitirang physicist ng ika-20 siglo - W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac, N. Bohr at iba pa - ay bumuo ng mga teoretikal na pundasyon ng isang bagong agham, na tinatawag na quantum mechanics.

Ang unang pang-eksperimentong kumpirmasyon ng hypothesis ni de Broglie ay nakuha noong 1927 ng mga Amerikanong pisiko na sina K. Devisson at L. Germer. Natagpuan nila na ang isang electron beam na nakakalat ng isang nickel crystal ay gumawa ng isang natatanging pattern ng diffraction na katulad ng ginawa ng mga short-wavelength na X-ray na nakakalat ng kristal. Sa mga eksperimentong ito, ginampanan ng kristal ang papel ng natural na diffraction grating. Ang posisyon ng diffraction maxima ay ginamit upang matukoy ang wavelength ng electron beam, na naging ganap na kasunduan sa formula ng de Broglie.

Nang sumunod na taon, 1928, ang Ingles na physicist na si J. Thomson (ang anak ni J. Thomson, na nakatuklas ng electron 30 taon na ang nakaraan) ay nakatanggap ng bagong kumpirmasyon ng hypothesis ni de Broglie. Sa kanyang mga eksperimento, napagmasdan ni Thomson ang pattern ng diffraction na nangyayari kapag ang isang electron beam ay dumaan sa isang manipis na polycrystalline gold foil. Sa isang photographic plate na naka-mount sa likod ng isang foil, ang concentric light at dark rings ay malinaw na naobserbahan, ang radii nito ay nagbago sa isang pagbabago sa electron velocity (i.e., wavelength) ayon kay de Broglie.

Sa mga sumunod na taon, ang eksperimento ni J. Thomson ay inulit ng maraming beses na may parehong resulta, kabilang ang sa ilalim ng mga kondisyon kapag ang daloy ng elektron ay napakahina na isang particle lamang ang maaaring dumaan sa aparato sa isang pagkakataon (V. A. Fabrikant, 1948). Kaya, pinatunayan ng eksperimento na ang mga katangian ng alon ay likas hindi lamang sa isang malaking hanay ng mga electron, kundi pati na rin sa bawat elektron nang hiwalay.

Kasunod nito, natuklasan din ang diffraction phenomena para sa mga neutron, proton, atomic at molecular beam. Ang pang-eksperimentong patunay ng pagkakaroon ng mga katangian ng alon ng mga microparticle ay humantong sa konklusyon na ito ay isang unibersal na kababalaghan ng kalikasan, isang pangkalahatang pag-aari ng bagay. Dahil dito, ang mga katangian ng alon ay dapat ding likas sa mga macroscopic na katawan. Gayunpaman, dahil sa malaking masa ng mga macroscopic na katawan, ang kanilang mga katangian ng alon ay hindi matukoy sa eksperimento. Halimbawa, ang isang butil ng alikabok na may mass na 10 -9 g, na gumagalaw sa bilis na 0.5 m / s, ay tumutugma sa isang alon ng de Broglie na may haba ng daluyong na humigit-kumulang 10 -21 m, ibig sabihin, humigit-kumulang 11 order ng magnitude na mas maliit. kaysa sa laki ng mga atomo. Ang wavelength na ito ay nasa labas ng rehiyon na naa-access sa pagmamasid. Ipinapakita ng halimbawang ito na ang mga macroscopic na katawan ay maaari lamang magpakita ng mga katangian ng corpuscular.

Kaya, ang eksperimento na nakumpirma na hypothesis ni de Broglie ng wave-particle duality ay radikal na nagbago ng mga ideya tungkol sa mga katangian ng microobjects.

Ang lahat ng micro-object ay may parehong wave at corpuscular properties, gayunpaman, hindi sila wave o particle sa classical na kahulugan. Ang iba't ibang mga katangian ng mga micro-object ay hindi nagpapakita ng kanilang mga sarili nang sabay-sabay, sila ay umakma sa isa't isa, tanging ang kanilang kumbinasyon ay ganap na nagpapakilala sa micro-object. Ito ang formula na binuo ng sikat na Danish physicist na si N. Bohr prinsipyo ng complementarity. Masasabing may kondisyon na ang mga micro-object ay nagpapalaganap tulad ng mga alon, at nagpapalitan ng enerhiya tulad ng mga particle.

Mula sa punto ng view ng wave theory, ang maxima sa electron diffraction pattern ay tumutugma sa pinakamataas na intensity ng de Broglie waves. Ang isang malaking bilang ng mga electron ay nahuhulog sa rehiyon ng maxima na naitala sa isang photographic plate. Ngunit ang proseso ng pagkuha ng mga electron sa iba't ibang lugar sa isang photographic plate ay hindi indibidwal. Sa panimula imposibleng mahulaan kung saan mahuhulog ang susunod na elektron pagkatapos ng pagkalat, mayroon lamang isang tiyak na posibilidad na ang isang elektron ay mahuhulog sa isang lugar o iba pa. Kaya, ang paglalarawan ng estado ng isang micro-object at ang pag-uugali nito ay maibibigay lamang batay sa probability theory.

Ang mga alon ng De Broglie ay hindi mga electromagnetic na alon at walang pagkakatulad sa lahat ng uri ng mga alon na pinag-aralan sa klasikal na pisika, dahil ang mga ito ay hindi ibinubuga ng anumang pinagmumulan ng mga alon at hindi nauugnay sa pagpapalaganap ng anumang larangan, tulad ng electromagnetic o anumang iba pa. Ang mga ito ay nauugnay sa anumang gumagalaw na butil, hindi alintana kung ito ay may kuryente o neutral.

Mga katangian ng alon. Ang isang kontemporaryo ni Isaac Newton, ang Dutch physicist na si Christian Huygens, ay hindi tinanggihan ang pagkakaroon ng mga corpuscles, ngunit naniniwala na ang mga ito ay hindi ibinubuga ng mga makinang na katawan, ngunit punan ang lahat ng espasyo. Kinakatawan ng Huygens ang proseso ng light propagation hindi bilang isang pasulong na paggalaw, ngunit bilang isang sunud-sunod na proseso ng paglilipat ng epekto ng isang corpuscle sa isa pa.

Ang mga tagasuporta ng Huygens ay nagpahayag ng opinyon na ang liwanag ay isang nagpapalaganap na oscillation sa isang espesyal na daluyan - "ether", na pumupuno sa buong espasyo ng mundo at malayang tumagos sa lahat ng mga katawan. Ang light excitation mula sa isang light source ay ipinapadala ng ether sa lahat ng direksyon.

Kaya, ang mga unang ideya ng alon tungkol sa likas na katangian ng liwanag ay lumitaw. Ang pangunahing halaga ng paunang wave theory ng liwanag ay ang prinsipyong orihinal na binuo ni Huygens at pagkatapos ay binuo ni Fresnel. Ang prinsipyo ng Huygens-Fresnel ay nagsasaad na ang bawat bato, na naaabot ng magaan na paggulo, ay nagiging sentro ng pangalawang alon at nagpapadala ng mga ito sa lahat ng direksyon sa mga kalapit na bato.

Ang mga katangian ng alon ng liwanag ay pinakamalinaw na ipinakita sa mga phenomena ng interference at diffraction.

Ang interference ng liwanag ay nakasalalay sa katotohanan na kapag ang dalawang alon ay kapwa matatagpuan, ang mga oscillation ay maaaring palakasin o humina. Ang prinsipyo ng panghihimasok ay natuklasan noong 1801 ng Englishman na si Thomas Young (1773-1829), isang propesyon na manggagamot. Ginawa ni Jung ang ngayon ay klasikong eksperimento na may dalawang butas. Sa screen, dalawang butas na malapit ang pagitan ay tinusok ng dulo ng isang pin, na pinaliwanagan ng sikat ng araw mula sa isang maliit na butas sa bintanang natatabingan. Sa likod ng screen, sa halip na dalawang maliwanag na spot, isang serye ng mga alternating dark at light ring ang naobserbahan.

Ang isang kinakailangang kondisyon para sa pagmamasid sa pattern ng interference ay ang pagkakaugnay ng mga alon (isang coordinated na daloy ng oscillatory o mga proseso ng alon).

Ang kababalaghan ng panghihimasok ay malawakang ginagamit sa mga aparato - mga interferometer, sa tulong kung saan ang iba't ibang mga tumpak na sukat ay isinasagawa at ang ibabaw na pagtatapos ng mga bahagi ay kinokontrol, pati na rin ang maraming iba pang mga operasyon ng kontrol.

Noong 1818, nagsumite si Fresnel ng isang malawak na ulat tungkol sa diffraction ng liwanag sa kompetisyon ng Paris Academy of Sciences. Isinasaalang-alang ang ulat na ito, si A. Poisson (1781-1840) ay dumating sa konklusyon na ayon sa teorya na iminungkahi ni Fresnel, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, sa gitna ng pattern ng diffraction mula sa isang opaque round obstacle sa landas ng liwanag ay dapat mayroong isang maliwanag na lugar, hindi anino. Ito ay isang nakamamanghang konklusyon. Ang D.F.Arago (1786-1853) ay agad na nag-set up ng isang eksperimento, at nakumpirma ang mga kalkulasyon ni Poisson. Kaya, ang konklusyon na ginawa ni Poisson, na panlabas na sumasalungat sa teorya ni Fresnel, ay naging isa sa mga patunay ng bisa nito, sa tulong ng eksperimento ni Arago, at minarkahan din ang simula ng pagkilala sa likas na alon ng liwanag.

Ang phenomenon ng light deflection mula sa rectilinear na direksyon ng propagation ay tinatawag na diffraction.

Maraming mga optical device ang nakabatay sa phenomenon ng diffraction. Sa partikular, ang crystallographic na kagamitan ay gumagamit ng X-ray diffraction.

Ang likas na alon ng liwanag at ang transverse na katangian ng mga liwanag na alon ay pinatunayan din ng hindi pangkaraniwang bagay polariseysyon. Ang kakanyahan ng polariseysyon ay malinaw na ipinakita sa pamamagitan ng isang simpleng eksperimento: kapag ang liwanag ay dumaan sa dalawang transparent na kristal, ang intensity nito ay nakasalalay sa magkaparehong oryentasyon ng mga kristal. Sa parehong oryentasyon, ang ilaw ay pumasa nang walang pagpapalambing. Kapag ang isa sa mga kristal ay pinaikot ng 90 °, ang ilaw ay ganap na pinapatay, i.e. hindi dumadaan sa mga kristal.

Ang likas na alon ng liwanag ay nakumpirma din ng hindi pangkaraniwang bagay ng pagpapakalat ng liwanag. Ang isang makitid na parallel beam ng puting liwanag, kapag dumadaan sa isang glass prism, ay nabubulok sa mga beam ng liwanag na may iba't ibang kulay. Ang color band ay tinatawag na tuloy-tuloy na spectrum. Ang pag-asa sa bilis ng pagpapalaganap ng liwanag sa isang daluyan sa haba ng daluyong ay tinatawag na pagpapakalat ng liwanag. Ang pagpapakalat ay natuklasan ni I. Newton.

Ang agnas ng puting liwanag ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ito ay binubuo ng mga electromagnetic wave na may iba't ibang wavelength at ang refractive index ay nakasalalay sa wavelength. Ang pinakamataas na halaga ng refractive index para sa liwanag na may pinakamaikling wavelength ay violet, ang pinakamababa para sa pinakamahabang wavelength na ilaw ay pula. Ipinakita ng mga eksperimento na sa isang vacuum ang bilis ng liwanag ay pareho para sa liwanag ng anumang wavelength.

Ang pag-aaral ng phenomena ng diffraction, interference, polarization at dispersion ng liwanag ay humantong sa pagtatatag ng wave theory of light.

Quantum properties ng liwanag. Noong 1887, natuklasan ni G. Hertz, kapag nag-iilaw ng zinc plate na konektado sa baras ng isang electrometer, ang phenomenon ng photoelectric effect. Kung ang isang positibong singil ay inilipat sa plato at baras, kung gayon ang electrometer ay hindi naglalabas kapag ang plato ay naiilaw. Kapag ang isang negatibong singil ng kuryente ay ibinibigay sa plato, ang electrometer ay ilalabas sa sandaling tumama ang radiation sa plato. Ang eksperimentong ito ay nagpapatunay na ang mga negatibong sentrik na singil ay tumakas mula sa ibabaw ng isang metal plate sa ilalim ng pagkilos ng liwanag. Ang mga sukat ng singil at masa ng mga particle na inilabas ng liwanag ay nagpakita na ang mga particle na ito ay mga electron. Ang kababalaghan ng paglabas ng mga electron sa pamamagitan ng isang sangkap sa ilalim ng pagkilos ng electromagnetic radiation ay tinatawag na photoelectric effect.

Ang quantitative regularities ng photoelectric effect ay itinatag noong 1888-1889. Ang Russian physicist na si A.G. Stoletov (1839-1896).

Hindi posible na ipaliwanag ang mga pangunahing batas ng photoelectric effect sa batayan ng electromagnetic theory ng liwanag. Ang electromagnetic theory ng liwanag ay hindi maipaliwanag ang kalayaan ng enerhiya ng photoelectrons mula sa intensity ng light radiation, ang pagkakaroon ng pulang hangganan ng photoelectric effect, ang proporsyonalidad ng kinetic energy ng photoelectrons sa dalas ng liwanag.

Ang electromagnetic theory ng Maxwell at ang electronic theory ni Lorentz, sa kabila ng kanilang napakalaking tagumpay, ay medyo magkasalungat at ilang mga paghihirap ang naranasan sa kanilang aplikasyon. Ang parehong mga teorya ay batay sa hypothesis ng eter, tanging ang "elastic ether" ay pinalitan ng "electromagnetic ether" (teorya ni Maxwell) o "fixed ether" (teorya ni Lorentz). Ang teorya ni Maxwell ay hindi maipaliwanag ang mga proseso ng paglabas at pagsipsip ng liwanag, ang photoelectric effect, Compton scattering, atbp. Ang teorya ni Lorentz, sa turn, ay hindi maipaliwanag ang maraming phenomena na nauugnay sa interaksyon ng liwanag sa bagay, lalo na ang tanong ng pamamahagi. ng enerhiya sa mga wavelength sa panahon ng thermal blackbody radiation.

Ang mga paghihirap at kontradiksyon na ito ay nalampasan salamat sa matapang na hypothesis na iniharap noong 1900 ng German physicist na si M. Planck, ayon sa kung saan ang paglabas ng liwanag ay hindi nangyayari nang tuluy-tuloy, ngunit discretely, ibig sabihin, sa ilang bahagi (quanta), ang enerhiya nito ay tinutukoy ng dalas n:

saan h ay pare-pareho ni Planck.

Hindi kailangan ng teorya ni Planck ang konsepto ng aether. Ipinaliwanag niya ang thermal radiation ng isang ganap na itim na katawan.

A. Nilikha si Einstein noong 1905 quantum theory of light: hindi lamang ang paglabas ng liwanag, kundi pati na rin ang pagpapalaganap nito ay nangyayari sa anyo pagkilos ng bagay ng light quanta - mga photon, ang enerhiya nito ay natutukoy ng formula sa itaas ng Planck, at ang momentum

kung saan ang l ay ang wavelength.

Ang mga katangian ng quantum ng mga electromagnetic wave ay ganap na naipapakita sa Compton effect: Kapag ang monochromatic X-ray radiation ay nakakalat ng isang sangkap na may mga light atom, kasama ang radiation na nailalarawan sa paunang wavelength, ang radiation na may mas mahabang wavelength ay sinusunod sa komposisyon ng nakakalat na radiation.

Ang mga quantum na ideya tungkol sa liwanag ay mahusay na sumasang-ayon sa mga batas ng radiation at pagsipsip ng liwanag, ang mga batas ng pakikipag-ugnayan, radiation sa bagay. Ang gayong mahusay na pinag-aralan na mga phenomena tulad ng interference, diffraction at polarization ng liwanag ay mahusay na ipinaliwanag sa mga tuntunin ng mga konsepto ng alon. Ang lahat ng iba't ibang pinag-aralan na mga katangian at mga batas ng pagpapalaganap ng liwanag, ang pakikipag-ugnayan nito sa bagay ay nagpapakita na Ang ilaw ay may kumplikadong kalikasan: ito ay isang pagkakaisa ng magkasalungat na katangian - corpuscular (quantum) at wave (electromagnetic). Ang mahabang landas ng pag-unlad ay humantong sa modernong ideya tungkol sa dual corpuscular-wave na kalikasan ng liwanag. Ang mga expression sa itaas ay nag-uugnay sa mga corpuscular na katangian ng radiation - ang masa at enerhiya ng isang quantum - sa mga katangian ng wave - ang dalas ng mga oscillations at ang wavelength. Sa ganitong paraan, ang liwanag ay isang pagkakaisa ng discreteness at continuity.

Mga tanong para sa pagsusuri sa sarili

Tanong 1. Ano ang pinakamahalagang gawain ng natural na agham.

1. nagbibigay-malay

2. pananaw sa mundo

3. teleolohikal

4. paglikha ng natural-science na larawan ng mundo

Tanong 2. Pangalanan ang pinakapangkalahatan, mahahalagang pangunahing konsepto ng pisikal na paglalarawan ng kalikasan.

1. bagay

2. paggalaw

3. espasyo

Tanong 3. Ano ang pilosopikal na kategorya upang tukuyin ang layunin na katotohanan, na ipinapakita ng ating mga sensasyon, na umiiral nang malaya sa kanila.

1. kamalayan

2. pagpapakita

3. bagay